(57)【要約】本発明は、燃料電池電極用の担持触媒材料（２０）を製造する方法、および本方法を用いて製造可能な触媒材料（２０）に関する。本方法では、第１に、炭化物含有層（２２）を製造するように、気相から炭素基担体材料（２１）上に炭化物形成物質を堆積させ、その後、触媒層（２３）を形成するように、気相から触媒的に活性な貴金属またはその合金を堆積させる。炭素との炭化物形成物質の化学反応によって、界面に非常に安定した炭化物結合が形成され、同時に、炭化物形成物質と貴金属との間の界面に、炭化物形成物質と貴金属との合金層が形成される。概して、従って担体材料（２１）への触媒貴金属の非常に安定した付着が得られ、それによって、劣化の影響が低減し、材料の耐用寿命が延びる。
2019519080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
・  導電性炭素基担体材料（２１）を提供し、
・  炭素基担体材料（２１）の炭素との炭化物形成物質の化学反応により炭化物含有層（２２）を製造するように、気相から炭素基担体材料（２１）上に炭化物形成物質を堆積させ、
・  触媒層（２３）を形成するように、気相から触媒的に活性な貴金属またはその合金を堆積させる、
各ステップを含む、燃料電池電極用の担持触媒材料（２０）を製造する方法。
【請求項２】
炭化物形成物質が、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ホウ素（Ｂ）、バナジウム（Ｖ）、アルミニウム（Ａｌ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ケイ素（Ｓｉ）、クロム（Ｃｒ）、およびニッケル（Ｎｉ）、またはこれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
炭化物含有層（２２）の層厚みが、１〜５０原子層、特に１〜２０原子層の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
触媒的に活性な貴金属またはその合金が、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、またはこれらの金属の合金を含み、特に白金（Ｐｔ）を含む、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
炭化物形成物質の堆積および触媒的に活性な貴金属またはその合金の堆積が、堆積層内で触媒的に活性な貴金属またはその合金の漸進的な増大をもたらすように互いに部分的に重複して行なわれることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
炭化物形成物質の堆積の前に、特にガスプラズマ、化学剤、粒子放射または電磁放射を用いた処理によって、炭素基担体材料（２１）の表面に欠陥点および／または官能化部（２４）が形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
炭化物含有層（（２２）および触媒層（２３）から形成された構造が、炭素基担体材料上に別々の触媒構造の形態で設けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
炭化物形成物質の堆積の後で、触媒的に活性な貴金属またはその合金の堆積の前に、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）およびイリジウム（Ｉｒ）、またはこれらの混合物または合金から成る群から選択される拡散障壁層（２６）が堆積されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載のように製造可能な、燃料電池電極（１２ａ、１２ｋ）用の担持触媒材料（２０）であって、導電性炭素基担体材料（２１）と、担体材料（２１）上に堆積された炭化物含有層（２２）と、炭化物含有層（２２）の表面に堆積された、触媒的に活性な貴金属またはその合金から成る触媒層（２３）と、を備える、担持触媒材料（２０）。
【請求項１０】
燃料電池（１０）用の電極構造であって、高分子電解質膜（１１）および気体透過性導電性基材（１３）から選択された平坦な担体（１１、１３）と、担体（１１、１３）の少なくとも１つの平坦な側に配置された触媒被覆（１２ａ、１２ｋ）とを備え、触媒被覆（１２ａ、１２ｋ）が、請求項９に記載の担持触媒材料（２０）を備える、燃料電池（１０）用の電極構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒燃料電池電極用の担持触媒材料を製造する方法に関する。本発明はさらに、本方法を用いて製造可能な触媒材料、そのような材料を有する燃料電池用の電極構造、およびそのような電極構造を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気エネルギーを生成するために、水を生成する燃料の酸素との化学反応を用いる。この目的のために、燃料電池はその核心となる構成要素として、いわゆる膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を含み、膜電極アッセンブリは、イオン伝導性（通常プロトン伝導性）の膜と、膜の両側にそれぞれ配置された触媒電極（アノードおよびカソード）とから構成される構造である。電極は通常、担持された貴金属、特に白金を備える。また、ガス拡散層（ＧＤＬ）が、膜電極アッセンブリの両側で膜とは反対の電極の側に配置可能である。通常、燃料電池は、スタックとして配置された複数のＭＥＡによって形成され、その電気出力は、合計される。個々の膜電極アッセンブリの間にバイポーラプレート（流れ場プレートまたはセパレータプレートとも呼ばれる）が一般に配置されており、個々の電池への作動媒体すなわち反応物の供給を確実にし、また通常、冷却のためにも使用される。バイポーラプレートはまた、膜電極アッセンブリとの電気伝導性接触を確実にする。
【０００３】
燃料電池が作動している際に、燃料（アノード作動媒体）特に水素Ｈ2または水素含有ガス混合物が、バイポーラプレートのアノード側で開いている流れ場を介してアノードに供給され、そこで電子が放出されながらプロトンＨ+を生成するＨ2の電気化学的酸化が生じる（Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-）。反応室を互いに気密な仕方で分離しかつそれらを電気的に絶縁する電解質または膜を介して、アノード室からカソード室へ、プロトンの（水が結合したまたは水なしの）輸送が行われる。アノードで提供された電子は、電気ラインを介してカソードに供給される。電子が吸収されながらＯ2-を生成するＯ2の還元が生じるように（１／２Ｏ2＋２ｅ-  →  Ｏ2-）、カソード作動媒体として酸素または酸素含有ガス混合物（例えば、空気）が、バイポーラプレートのカソード側で開いている流れ場を介してカソードに供給される。同時に、カソード室内で酸素陰イオンが、膜を介して輸送されたプロトンと反応して、水を生成する（Ｏ2-＋２Ｈ+  →  Ｈ2Ｏ）。
【０００４】
上述した燃料電池反応の触媒作用のための触媒材料として白金または白金合金が使用される。反応は電気化学的表面過程を含むので、最大の可能な触媒表面積（ＥＣＳＡ、電気化学活性表面積）が望ましい。この目的のために２〜３または３〜４または数ナノメートルの大きさの範囲の触媒材料の粒子が、大きな表面積を有する炭素担体に適用される。しかしながら、燃料電池作動の進行中の電極劣化に起因して電力の一部が失われる。とりわけ、（望ましくない）作動条件の結果としてのＥＣＳＡおよび活性の喪失が、この原因である。基本的な機構はとりわけ、炭素担体からの白金の溶解（白金腐食）を含み、それによって、粒子はその電気的接触を失い、もはや効果的な触媒作用に寄与しない。さらに、粒子の凝集（合体）が起こり、それによって、触媒表面積が減少する。さらに、劣化機構は、合金元素であるコバルトおよび／またはニッケルの腐食を含み、または、白金自体の腐食、オストワルド成長に起因する白金ナノ粒子の成長、炭素表面への移動および焼結に起因する白金ナノ粒子の成長も含む。
【０００５】
触媒活性の喪失を防止するために、従って、燃料電池の作動時間に亘る性能要求を確保できるようにするために通常、電極の製造において過剰な量の貴金属が使用される。しかしながら、この措置は、非常に費用が掛かる。
【０００６】
また、安定化炭素担体の使用が知られている。ここでは炭素の腐食（溶解）は改善されるが、触媒粒子の付着は改善されない。
【０００７】
また、延長された耐用寿命により白金の量が低減可能なナノ構造薄膜触媒が知られている。しかしながら、問題は結果として、ナノ構造に起因する反応水の放出になる。
【０００８】
また、触媒の活性は、さらなる元素（とりわけコバルトおよびニッケル）を追加することによって高められて、より高い燃料処理量、従って高い電力を確保することができる。しかしながら、合金元素を追加することによって、不十分な付着の問題は、改善されない。白金に比較したこれらの元素のより卑な性質の結果として、このような触媒は、腐食の影響を全く実質的により受けやすい。
【０００９】
酸化物に基づく付着促進剤層が触媒材料の付着を向上させることになる、新規な触媒担体の発想を用いた研究も存在する。しかしながら、使用される酸化物はたいてい不良な導体であり、従って、触媒と担体との間の境界抵抗の結果として電力の喪失が起こる。
【００１０】
ＤＥ６９８２４８７５Ｔ２には、担体薄膜上に有機顔料から形成された非導電性ナノ構造化担体構造を製造することが記載されている。これらの担体構造は、物理または化学気相堆積（ＰＶＤ、ＣＶＤ）を用いて被覆されて、ナノ構造化触媒元素を製造し、これはその後、プレス工程によって燃料電池の高分子電解質膜上に直接移動される。触媒元素は、この場合、異なる材料の連続堆積に起因して、その表面とその内部体積部とで異なる組成を有することができる。
【００１１】
また、金属炭化物を触媒材料に混合すること、または、金属炭化物を炭素担体に直接適用することが知られている（例えば、ＥＰ１８４２５８９Ａ１）。しかしながら、この場合、担体材料への炭化物の物理付着が起こる。
【００１２】
ＵＳ２００６／０１８３６３３Ａ１には、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）のアノード用の触媒構造が記載されている。それは、Ａｌ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、ＭｏまたはＨｆから形成された担体材料を含み、その上に、ＷＣ、ＭｏＣまたはＴａＣなどの金属炭化物から形成された局所的な突出部（ナノドット）が堆積され、その上に物理または化学気相堆積を用いて触媒粒子が堆積される。突出部および触媒粒子両方とも、ＷＣ、ＭｏＣまたはＴａＣなどの金属炭化物から構成されており、任意選択的に、カーボンナノホーン（ＣＮＨ）から形成された被覆が設けられ得る。
【００１３】
触媒粒子は一般に、大きな比表面積の導電性担体上に設けられ、これはしばしば粒子状炭素基材料、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）または同様のものである。担体材料上への触媒粒子の堆積は通常、湿式化学的方法を用いて、例えば、触媒金属の金属−有機前駆体化合物を用いるゾル−ゲル法によって行われる（例えば、ＵＳ８，２８３，２７５Ｂ２）。さらに、気相からの炭素担体上への触媒貴金属粒子の堆積も知られている（例えば、ＵＳ７，３０３，８３４Ｂ２）。このように担持された触媒はその後、イオノマーと混合され、ペーストまたは懸濁液の形態で被覆として、カーボン紙に、直接、高分子電解質膜に、またはガス拡散層に適用され、乾燥される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、触媒燃料電池電極用の担持触媒材料を製造する方法を規定する目的に基づいており、結果として、従来技術の問題を少なくとも部分的に解決する材料になる。特に、担体材料への触媒材料の改善した付着を有し、従って、増大した安定性およびより長い耐用寿命を有する触媒材料が製造可能である。
【００１５】
この目的は、製造方法、この方法を用いて製造可能な担持触媒材料、そのような材料を有する電極構造、および独立特許請求項の特徴を有するそのような電極構造を有する燃料電池によって達成される。本発明の好ましい実施例は結果として、従属請求項および以下の説明に述べられる残りの特徴から得られる。
【００１６】
本発明による、燃料電池電極用の担持触媒材料を製造する方法は、以下のステップ：
・  導電性炭素基担体材料を提供し、
・  炭素基担体材料の炭素との炭化物形成物質の化学反応により炭化物含有層を製造するように、気相から炭素基担体材料上に炭化物形成物質を堆積させ、
・  触媒層を形成するように、気相から触媒的に活性な貴金属またはその合金を堆積させる、
各ステップを（特に規定された順序で）含む。
【００１７】
従って、本発明は、炭化物形成物質と炭素との間に炭化物または炭化物型の結合を形成することによって炭化物形成物質と担体材料との間に化学結合が形成されるという点で、区別される。表面への触媒材料の結合の改善は、このような仕方で行われる。湿式化学により、または気相からの物理堆積プロセスのみにより触媒材料が堆積される既存の方法では、化学（共有）結合より当然に弱い、吸着に起因する物理結合のみが存在する。安定した結合の結果として、炭素担体表面上での触媒構造の拡散、従ってその合体（焼結）が防止される。炭化物は、高い機械的かつ化学的な安定性によって、またさらには高い電気伝導性によって、さらに区別される。従って、触媒と担体との間の境界抵抗の結果としての電力喪失を最小限に抑えることができる。
【００１８】
炭化物含有層が必ずしも独立した炭化物相を、例えば、表面に成長した、結晶学的炭化物構造を有するナノクリスタリットの形態で、形成する必要のないことは明らかである。むしろ、炭素と炭化物含有層との間の直接の境界層において炭化物結合または炭化物型結合が生じること、すなわち、炭化物形成元素と炭素との間に共有結合が生じ、それによって、炭化物結晶内の化学結合状態に局所的に相当する化学結合状態であるが、結晶に相当する周期性および長距離秩序は持たない化学結合状態を有することで、十分である。さらに、純粋な反応していない炭化物形成物質の相も、炭化物含有層の一部であり、この境界層に隣接することができる。
【００１９】
さらに、炭化物形成物質（以下では炭化物形成体とも呼ぶ）と貴金属またはその合金それぞれとの間で、炭化物含有層と触媒貴金属層との間の境界層において、安定した合金の形成が生じる。従って、全ての界面を介して炭素担体への触媒の安定した結合が達成される。
【００２０】
炭化物形成物質の堆積および触媒的に活性な貴金属またはその合金の堆積は、気相から、すなわち、溶剤からの湿式化学プロセスを経由してではなく、行われる。気相からの堆積に起因して、典型的な湿式化学合成経路を介しては調製できない、原子レベルで目標とする構造を実現することができる。さらに、気相堆積によって、特に触媒貴金属またはその合金それぞれの使用される量の大幅な低減が可能となる。従って、貴金属は、触媒反応が進行する表面に使用されるだけであり、一方、より費用対効果が大きい材料は、内部に存在する。
【００２１】
堆積は、任意の気相堆積プロセスを用いて実施できる。適切な方法は、物理気相堆積（物理蒸着、ＰＶＤ）、化学気相堆積（化学蒸着、ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）およびその他を含む。
【００２２】
炭化物含有層の主な仕事は、担体材料上への貴金属またはその合金それぞれの安定した付着を確保すること、そして同時に、その内部に比較的費用対効果の大きい材料を用いて触媒構造を作り上げることである。炭素担体への良好な結合を達成するために、炭化物または炭化物形成物質それぞれの整合する結晶格子、すなわち、炭素材料のものと類似する結晶構造および類似する格子定数が有利である。貴金属から形成された触媒表面層の安定した結合をさらに達成するために、高い表面エネルギー、および触媒貴金属またはその合金に適合する格子構造がさらに望ましく、本明細書では、炭化物または炭化物形成物質それぞれの格子定数が、せいぜい、触媒表面層の格子定数、特に白金の格子定数に一致するのが好ましい。わずかに小さい格子定数を有する炭化物の格子を選択することに起因して、貴金属格子の収縮が、そして、このように生じた結晶格子の歪み効果に起因して、また格子間の量子力学的相互作用に起因して、増大した活性、そしてまた貴金属の特に稠密な球形充填が達成される。概して、付着は表面エネルギー、対称性および格子定数に関する結晶格子間の良好な一致、および界面での結合状態（ｄ帯中心のシフト）によって決定される。触媒的に活性な貴金属上で起こる触媒燃料電池反応の際の電子の吸収および／または放出を可能とするために、コア層の体積部材料はさらに、良好な導電性を有する必要がある。
【００２３】
これらの基準を満たす適切な炭化物形成物質は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ホウ素（Ｂ）、バナジウム（Ｖ）、アルミニウム（Ａｌ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ケイ素（Ｓｉ）、クロム（Ｃｒ）、およびニッケル（Ｎｉ）、またはこれらの元素のうちの２つ以上の混合物を含む。これらのうち、炭素と反応して炭化チタンＴｉＣを形成するチタンが特に好ましい。
【００２４】
炭化物形成物質の気相堆積では、それ自体で純粋な元素、またはその化学的前駆体化合物が使用され、気相に移動し、炭素基担体材料の表面に堆積する。この場合、対応する炭化物または炭化物型結合の形成は、炭素との化学反応によって自発的に起こる。
【００２５】
炭化物含有層の層厚みは好ましくは、炭化物形成物質に関して２〜３または３〜４または数原子層の範囲でできるだけ小さく選択される。有利な一実施例では、層厚みは、平均で１原子層〜５０原子層、特に平均で１原子層〜２０原子層、好ましくは平均１〜１０原子層の範囲である。これらの層厚みは、所望の炭化物生成をもたらすのに十分である。
【００２６】
触媒的に活性な貴金属またはその合金の表面層の層厚みはまた、高価な材料が表面でできるだけ完全に接触できるものとなるように、できるだけ薄く選択するのが好ましい。特に、表面層は、平均１〜６原子層、好ましくは１〜４原子層、特に好ましくは平均１〜２原子層の層厚みを有する。
【００２７】
個々の層の層厚みを２〜３または３〜４または数原子層の範囲に設定することによって、燃料電池触媒作用について目標とする界面効果の利用が可能となる。層厚みは、気相堆積プロセスの継続時間の適切な選択によって簡単な仕方で設定できる。
【００２８】
特に、触媒表面層の貴金属として、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）および白金（Ｐｔ）、またはこれらの金属の合金から成る白金族の金属が考慮される。特に、表面層は、白金または白金合金、好ましくは本質的に純粋な白金から成る。
【００２９】
本発明の好ましい一実施例では、炭化物形成物質の堆積および触媒的に活性な貴金属またはその合金の堆積は、時系列で互いに部分的に重複して行なわれ、堆積層内で内部から外部へと触媒的に活性な貴金属またはその合金の漸進的な増大、または炭化物形成物質の漸進的な減少が、それぞれもたらされる。これは、堆積プロセスの際に連続的にまたは段階的に気相中の炭化物形成体および貴金属またはその合金の相対的な割合を変えることによって行うことができる。例えば、堆積プロセスの際に炭化物形成体の割合は、１００％から０％へと、貴金属またはその合金の割合は０％から１００％へと変えることができる。このような傾斜の設定は、上述した気相堆積プロセスを用いて容易に行うことができる。生成物は、炭化物形成体の含有量が内部から外部へと減少し、貴金属またはその合金の含有量がそれに応じて増大する、連続層構造である。最外層または少なくとも最外原子層は有利には、１００％の触媒貴金属またはその合金それぞれから構成される。
【００３０】
方法のさらなる実施例によれば、炭化物形成物質の堆積の後で、触媒的に活性な貴金属またはその合金の堆積の前に、炭化物含有層上に拡散障壁層が堆積される。拡散障壁層は、表面へのコアを形成する炭化物形成体の電気化学的により卑な材料の拡散を防止し、表面では、炭化物形成体の原子は、燃料電池内の腐食性の環境によって溶け出し、従って、触媒は、不安定になる。拡散障壁層は好ましくは、さらなる気相堆積工程において触媒貴金属またはその合金によってできるだけ完全に被覆される。拡散障壁に適した材料は、例えば、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タングステン（Ｗ）、オスミウム（Ｏｓ）、ロジウム（Ｒｈ）およびイリジウム（Ｉｒ）、またはこれらの混合物または合金を含む。金が特に好ましい。
【００３１】
さらに有利な実施例では、炭化物形成物質の堆積の前に、炭素基担体材料の表面に欠陥点および／または官能化部が形成される。この場合、欠陥点は、炭素の結晶格子構造内のきず、すなわち、残りの格子構造からの逸脱として理解される。従って、欠陥点は、きず、すなわち、占有されていない格子空間を含むが、Ｃから逸脱したその原子半径の結果として格子歪みとなる、炭素格子空間上の（Ｃに相当しない）異質な原子の存在、または、結果として格子歪みともなり得る、挿入の意味で中間の格子空間上の異質な原子の存在も含む。適切な異質な原子は例えば、窒素（Ｎ）、ホウ素（Ｂ）、酸素（Ｏ）、ケイ素（Ｓｉ）およびその他を含む。官能化部は、担体の炭素に共有結合して存在する化学基として理解される。このような官能化部は例えば、水素基（−Ｈ）、ヒドロキシル基（−ＯＨ）、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）およびその他を含む。従って、結合、特に炭素表面の二重結合が、局所的に壊されて、官能化部が生じ、それが、炭化物形成体との反応に利用できる。炭素基担体材料の表面上の欠陥点および官能化部両方とも、炭化物形成物質の堆積のための凝縮シードとして使用され、同時に、その増大した反応性の結果として化学的炭化物形成を促進する。このように炭素と炭化物形成体との間に形成された炭化物型結合の局所的な形成は、炭素担体上の層または触媒構造のさらなる成長のためのシードとして機能する。この点で、好ましくは、炭化物形成体のさらなる原子の堆積が行なわれ、粒子の成長が生じる。しかしながら、原則として、前処理されていない炭素担体も使用可能である。本明細書では、局所的な炭化物形成およびこれらのシードの周りでの構造の成長も生じる。
【００３２】
きずは、担体材料に高エネルギー電磁放射または粒子放射を照射することによって、またはガスプラズマを用いた処理によって形成可能である。代替として、欠陥点を既に有する担体材料が使用可能である。ガスプラズマ、特に水素（Ｈ2）、酸素（Ｏ2）、窒素（Ｎ2）またはその他を用いた処理によって、または化学剤、例えば酸を用いた処理によって、異質の原子または官能化部も導入可能および／または形成可能である。
【００３３】
炭素基担体材料は主に、適用される触媒のための大きな比表面積を表す仕事、さらには材料の触媒中心と燃料電池の外部電力回路との間の電気的接続を確立する仕事を有する。炭素基担体材料は好ましくは、多孔質粒子、すなわち、自由に流れる構造を有する。これは特に、実質的に回転楕円体形状または繊維を含む。適切な材料は特に、カーボンナノ構造、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバ、カーボンナノテープ、カーボン中空ビーズ、および黒鉛、バルカン（Ｖｕｌｋａｎ）、黒鉛化カーボン、グラフェン、ケッチェン（Ｋｅｔｊｅｎ）ブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック、カーボンブラック、活性炭、およびメソフェーズカーボン（ｍｅｓｏ  ｐｈａｓｅ  ｃａｒｂｏｎ）も含む。
【００３４】
炭化物含有層と、触媒層と、そしてことによるとさらなる層とから形成された構造は好ましくは、炭素基担体材料上に別々の触媒構造の形態で設けられる。本発明の範囲では、「触媒構造」という用語は、炭素基担体材料上に形成（成長、堆積）され、担体材料上に本質的に別々にすなわち互いに独立して配置された形態として理解される。従って、担体材料が露出している間隙が、隣接する触媒構造の間に存在する。この場合、触媒構造は、任意の形態、例えば、ほぼ球形の扇形の形態、特に半球体を有することができる。しかしながら、構造が、球形表面の理想形状を一般に有さないこと、特に使用される材料の結晶構造によって規定されることは、明らかである。その幾何学的形状とは無関係に、触媒構造は、一種のコア−シェル構造、より正確には、「切断面」が担体材料上に配置され、それと接触している、「切欠き」コア−シェル構造を有する。
【００３５】
本発明のさらなる態様は、特に本発明による方法を用いて製造可能である、燃料電池電極用の担持触媒材料に関し、触媒材料は、導電性炭素基担体材料と、担体材料上に堆積された炭化物含有層と、炭化物含有層の表面に堆積された触媒的に活性な貴金属またはその合金から成る触媒層と、を備える。
【００３６】
材料は、触媒層の優れた付着、従って、腐食および焼結への低い傾向によって区別される。さらに、触媒構造の内部がより費用対効果の大きい炭化物形成体によって実質的に満たされるので、比較的少量の貴金属またはその合金が必要となる。
【００３７】
本発明のさらなる態様は、平坦な担体と、触媒被覆とを備える、燃料電池用の電極構造に関し、触媒被覆は、本発明による担持触媒材料であって、担体の２つの平坦な側のうちの少なくとも１つに配置された触媒材料を備える。この場合、平坦な担体は例えば、燃料電池用の高分子電解質膜である。この場合、触媒被覆膜（ＣＣＭ）も指している。代替として、平坦な担体は、気体透過性導電性基材、例えば、ガス拡散層（ＧＤＬ）とすることができ、または、カーボン紙または同様のものなどの燃料電池のさらなる担体層とすることができる。触媒被覆ガス拡散層の場合、ガス拡散電極も指している。
【００３８】
電極構造は、触媒材料を平坦な担体上に直接被覆することによって製造可能である。この目的のために、触媒材料と、溶剤と、そしてことによるとバインダーまたは同様のものなどのさらなる添加剤とを備える懸濁液またはペーストが製造され、任意の方法を用いて層状にされ、乾燥される。
【００３９】
本発明のさらなる態様は、高分子電解質膜と、その各平坦な側に配置された層であって少なくとも１つの層が本発明の担持触媒材料を備える層と、を有する。
【００４０】
本願に記載された本発明のさまざまな実施例は有利には、個々の場合に特に明記しない限り、互いに組み合わせ可能である。
【００４１】
本発明は、以下において、添付の図面に基づいて例示的な実施例において説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施例による担持触媒材料の概略図。
【図２】本発明の第２の実施例による担持触媒材料の概略図。
【図３】本発明の第３の実施例による担持触媒材料の概略図。
【図４】本発明の第４の実施例による担持触媒材料の概略図。
【図５】本発明の第５の実施例による担持触媒材料の概略図。
【図６】本発明の第５の実施例による分子レベルでの担持触媒材料の概略図。
【図７】本発明の第６の実施例による担持触媒材料の概略図。
【図８】本発明による触媒材料を有する燃料電池の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１〜図７は、非常に概略的かつ理想化された形態で、本発明による担持触媒材料を示す。各場合、材料の非常に大きく拡大された詳細を、例示的な構造を通して断面として示す。この場合、同じ参照符号は、対応する構成要素に使用するものであり、各実施例において詳細には説明しない。
【００４４】
図１による触媒材料は、その全体が２０で特定されており、上述した材料から選択された、例えばここではカーボンブラックである、導電性炭素基担体材料２１を備える。上述した材料のうちの１つから選択された、例えばここではチタンＴｉである、堆積された炭化物含有層２２が、担体材料２１上に配置される。炭化物、ここでは炭化チタンＴｉＣ、または炭化物型結合が、担体材料２１と、炭化物含有層２２との間の少なくとも界面に形成される、すなわち、化学結合、特に共有結合が、ここでは２つの層２１、２２間に生じる。触媒的に活性な貴金属またはその合金から成り、上述した材料の１つから選択された、例えばここでは白金Ｐｔである、堆積された触媒層２３が、炭化物含有層２２の表面に配置される。炭化物形成体Ｔｉと、貴金属Ｐｔとから形成された合金が、炭化物含有層２２と触媒層２３との間の界面に形成され、それによって、ここでは、物質的に結合された接続も存在する。炭化物含有層２２と、触媒層２３とから形成された構造が、複数の別々の触媒構造または粒子の形態で設けられ、ここでは、そのうちの１つだけが示される。
【００４５】
図２による触媒材料は、触媒構造が担体材料２１の両側に成長している点で、図１の触媒材料とは異なる。図示した対称的な配置にも拘わらず、構造は、担体材料２１の両側に非対称に配置することもできる。
【００４６】
図１、図２による触媒材料２０は、所望の層厚みを有する炭化物含有層２２を形成するように、気相堆積プロセスを用いて炭素基担体材料２１上に最初に炭化物形成体Ｔｉを堆積させることによって製造可能である。この場合、個々のチタン原子の最初の局所的な堆積および炭化物形成と、層２２の成長とが、これらの「シード」上のさらなるチタン原子の蓄積を通して生じる。例えば１〜１０原子層Ｔｉの所望の層厚みに到達した後に、触媒層２３を形成するように、炭化物含有層２２上への貴金属Ｐｔの堆積がその後、さらなる気相堆積プロセスによって実施される。例えば１〜５原子層Ｐｔの所望の層厚みに到達した後に、触媒材料２０が得られる。触媒構造が、担体材料２１の一方の側に成長するかまたは両側に成長するかは主に、担体材料のさまざまな側の利用可能性に依存する。
【００４７】
図３に示す触媒材料２０は、炭素基担体材料２１が欠陥点２４を有している点で、図１の触媒材料とは異なる。この実施例では、これらはこの場合、炭素の結晶格子内に格子欠陥を含む。
【００４８】
図４に示す触媒材料２０は、図２と同様に触媒構造が炭素担体２１の両側に成長していることを除いて、図３の触媒材料と実質的に一致する。
【００４９】
図３、図４による触媒材料２０は、炭化物形成体の堆積プロセスの前に、炭素担体材料２１が、欠陥点２４を生成する処理方法、例えば、プラズマ処理を受けることを除いて、図１、図２による例示的な実施例のための方法と同様の方法を用いて製造可能である。このような仕方で生成された欠陥点２４は、炭化物形成体の最初の蓄積およびシード形成を促進する。
【００５０】
図５、図６は、本発明による触媒材料２０のさらなる実施例を示す。図１〜図４による材料からの修正において、ここでは、炭化物含有層２２と触媒床２３との間に、炭化物形成体と触媒貴金属との混合物または合金、ここでは、Ｐｔ−Ｔｉ合金から構成される混合層２５が設けられる。特に、混合層２５は、Ｔｉの割合が内部から外部へと低下し、Ｐｔの割合が反対に上昇するように、形成される。従って、全体の層構造２２、２５、２３は、チタンの割合が１００％（内部）から０％（外部）へと低下し、白金の割合が０％（内部）から表面上の１００％へと上昇する、単一の連続層としても記載可能である。さらなる実施例によれば、混合層２５は、均一なＰｔ−Ｔｉ合金から成る、すなわち、濃度勾配がない。さらに、図５、図６による層構造は、炭素担体２１の両側で（図２、図３と同様）成長されること、および／または、炭素担体２１内の欠陥点２４の製造（図３、図４と同様）と組み合わせることも可能である。
【００５１】
図５、図６による材料２０は、連続気相堆積プロセスの際に、気相の組成を連続的に変化させることによって製造可能である。
【００５２】
本発明による触媒材料２０のさらなる実施例を図７に示す。図１〜図４による材料からの修正では、炭化物含有層２２と触媒層２３との間に、上述した材料のうちの１つ、例えばここでは金Ａｕから形成される拡散障壁層２６が存在する。拡散障壁層２６は、触媒構造の表面上へのより卑な炭化物形成体の拡散、従ってその溶解を防止する。図７による材料２０は、炭化物形成体の堆積の後に追加の気相堆積工程において層２２上に拡散障壁層２６の材料を堆積させ、その後、拡散障壁層２６上に触媒貴金属を堆積させることによって、製造可能である。
【００５３】
燃料電池用の電極を製造するために、第１に、本発明による触媒材料２０から、触媒材料２０のほかに溶剤を含有し、さらに添加剤、特にポリマーバインダーを含有し得る、組成物（スラリー、ペーストまたは同様のものなど）が製造される。この組成物は次いで、被覆として平坦な担体に適用され、これには、任意の被覆方法、例えば、塗布、噴霧、ドクタ、印刷または同様のものなどが使用可能である。平坦な担体は、特に燃料電池の高分子電解質膜であり、この膜は好ましくは、触媒材料を用いて両側が被覆される。代替として、触媒被覆は、ガス拡散層、または別の気体透過性導電性基材、例えばカーボン紙に適用可能でもある。
【００５４】
図８は、このような燃料電池１０の構造を概略的な断面図で示す。燃料電池１０の核心となる部分は、全体が１４で特定された膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）である。ＭＥＡ１４は、高分子電解質膜１１と、その平坦な側に配置された２つの触媒電極または触媒被覆、すなわちアノード１２ａおよびカソード１２ｋと、それらの両側に配置された２つのガス拡散層１３とを備える。高分子電解質膜１１は、イオン伝導性、特にプロトン伝導性のポリマー、例えば商品名ナフィオン（登録商標）で販売されている製品である。触媒電極１２ａ、１２ｋは、本発明による触媒材料を備えており、膜１１の被覆として両側において図示の実施例に具体化されている。ガス拡散層１３は、気体透過性導電性材料から構成されており、この材料は、例えば気泡構造または繊維構造または同様のものなどを有し、反応ガスを電極１２ａ、１２ｋに分配するように使用される。バイポーラプレート１５、すなわちアノードプレート１５ａおよびカソードプレート１５ｋが、膜電極アッセンブリ１４に両側で隣接している。複数のこのような個々の電池１０が通常、燃料電池スタックを形成するように積層され、従って、各バイポーラプレートは、アノードプレート１５ａおよびカソードブレート１５ｋから構成される。バイポーラプレート１５ａ、１５ｋはそれぞれ、反応物チャネル１６から成る構造を備え、反応物チャネル１６は、ガス拡散層１３の方向に開いて形成され、燃料電池の反応物を供給および分配するように使用される。従って、燃料、ここでは水素Ｈ2が、アノードプレート１５ａの反応物チャネル１６を介して供給され、酸素Ｏ2または酸素含有ガス混合物、特に空気が、カソードプレート１５ｋの対応する反応物チャネル１６を介して供給される。バイポーラプレート１５ａ、１５ｋは、外部電力回路１８を介して互いに、そして電気消費体１９、例えば電気自動車用の牽引モーターまたはバッテリに接続される。
【００５５】
燃料電池１０の作動の際に、水素が、アノードプレート１５ａの反応物チャネル１６を介して供給され、アノード側のガス拡散層１３を介して分配され、触媒アノード１２ａに供給される。ここでは、プロトンＨ+を生成する水素Ｈ2の触媒的解離および酸化が電子の放出を伴って生じ、電子は、電力回路１８を介して放出される。反対側では、酸素が、カソードプレート１５ｋを介して触媒カソード１２ｋへとカソード側のガス拡散層１３を介して運ばれる。同時に、アノード側で生成されたプロトンＨ+がカソード１２ｋの方向に高分子電解質膜１１を介して拡散する。ここでは、供給された空気酸素は、外部電力回路１８を解して供給された電子を吸収しながら触媒貴金属上でプロトンと反応して、水を生成し、この水は、反応ガスと共に燃料電池１０から放出される。電気消費体１９は、このように生成された電流の流れによって供給可能である。
【００５６】
本発明による触媒材料２０は、燃料電池のアノード１２ａおよび／またはカソード１２ｋに使用可能である。本発明による触媒材料２０を備えた燃料電池１０は、触媒電極１２ａ、１２ｋが、腐食への低い傾向、従って高い長期安定性を有するという点で、区別される。同時に、電極の触媒材料の主な体積部が比較的費用対効果の大きい材料で形成されるので、比較的少ない触媒貴金属が必要となる。
【符号の説明】
【００５７】
１０…燃料電池
１１…高分子電解質膜
１２…触媒電極
１２ａ…アノード
１２ｋ…カソード
１３…ガス拡散層
１４…膜電極アッセンブリ
１５…バイポーラプレート
１５ａ…アノードプレート
１５ｋ…カソードプレート
１６…反応物チャネル
１７…冷却材チャネル
１８…電力回路
１９…電気消費体／電気負荷
２０…担持触媒材料
２１…炭素基担体材料
２２…炭化物含有層
２３…触媒層
２４…欠陥点
２５…混合層
２６…拡散障壁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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